การสร้างและการรับมือกับสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไปจะมีตัวกรองติดตั้งอยู่บนสายป้อนกระแสสลับ (AC input line) เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ชิ่ง (switching power supply) นั้น แหล่งกำเนิดหลักของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) มาจากหน่วยจ่ายไฟเอง แหล่งที่มาของ EMI มีหลากหลาย ได้แก่ ปรากฏการณ์ตามธรรมชาติ เช่น ฟ้าผ่า และสนามแม่เหล็กโลก รวมถึงแหล่งที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น มอเตอร์ เทคโนโลยีความถี่วิทยุ (RF) และสัญญาณดิจิทัล/แอนะล็อก ซึ่งสามารถสร้างสัญญาณรบกวนได้ ตัวกรองเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นอย่างยิ่งในการป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนเหล่านี้แพร่ออกไปนอกอุปกรณ์ หรือรบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง บทความนี้จะกล่าวถึงสาเหตุของการเกิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า และมาตรการรับมือเพื่อแก้ไขปัญหานี้

​

1- ประเภทของสัญญาณรบกวนและการเกิดสัญญาณ

เสียงรบกวนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หมายถึง สัญญาณไฟฟ้าที่ไม่ต้องการภายในอุปกรณ์นั้น เหล่านี้คือความผิดปกติของแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ หากการรบกวนมีมากเกินไป อาจเกิดปรากฏการณ์ต่อไปนี้:

① ได้ยินเสียงรบกวนในวิทยุหรืออุปกรณ์มัลติมีเดียที่ไม่เกี่ยวข้องกับเสียงต้นฉบับ

② แสดงภาพที่บิดเบี้ยวหรือยุ่งเหยิงบนหน้าจอโทรทัศน์ นอกเหนือจากเนื้อหาเดิม

③ อุปกรณ์ดิจิทัลอาจเริ่มทำงานผิดพลาดหรือไม่สามารถทำงานตามปกติได้

④ อุปกรณ์การสื่อสารอาจไม่สามารถส่งสัญญาณได้อย่างปกติ

⑤ ผลกระทบอื่นๆ ที่รบกวนการทำงานที่เหมาะสมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ประเทศและภูมิภาคต่างๆ จึงได้กำหนดข้อกำหนดและระเบียบที่เกี่ยวข้องสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยกำหนดให้สัญญาณรบกวนที่เกิดจากอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องไม่เกินขีดจำกัดที่กำหนดไว้ ผู้ผลิตมีหน้าที่ควบคุม EMI ที่เกิดจากผลิตภัณฑ์ของตนให้อยู่ภายในขีดจำกัดที่กำหนด

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้นำเทคโนโลยีดิจิทัลและสวิตช์เชิงดิจิทัลมาใช้อย่างแพร่หลาย ตราบใดที่ผลิตภัณฑ์ใช้เทคโนโลยีเหล่านี้ ก็จะต้องสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การใช้ตัวกรองเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมสัญญาณรบกวนให้อยู่ในขีดจำกัดที่กำหนดไว้ ซึ่งขีดจำกัดของสัญญาณรบกวนอาจแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศหรือภูมิภาค ทำให้คุณลักษณะของตัวกรองที่ต้องการก็แตกต่างกันไปด้วย ภาพด้านล่างแสดงตัวอย่างของตัวกรองสายไฟฟ้าที่ใช้ภายนอกสำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรม และตัวกรองภายใน (หม้อแปลงแบบคอร์ร่วม, หม้อแปลงแบบต่างศักย์) ที่ติดตั้งอยู่ภายในแหล่งจ่ายไฟ

รูปที่ 1 (ซ้าย): ตัวกรองสายไฟฟ้าอุตสาหกรรมแบบภายนอก

รูปที่ 2 (ขวา): ตัวกรองแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์เชิงดิจิทัลภายใน (หม้อแปลงแบบคอร์ร่วม)

ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ไดโอดรีคทิฟายเออร์ความถี่สูง และหม้อแปลงสวิตชิ่ง จะสร้างสัญญาณรบกวนในระดับที่สูงกว่า โดยคลื่นสัญญาณการทำงานภายในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมักเป็นคลื่นรูปสี่เหลี่ยมหรือคลื่นรูปสามเหลี่ยม (คลื่นพื้นฐาน) ซึ่งคลื่นเหล่านี้มีองค์ประกอบความถี่สูงที่เป็นพหุคูณของความถี่พื้นฐาน เมื่อคลื่นความถี่สูงเหล่านี้แผ่ออกไปยังภายนอก จะกลายเป็นสัญญาณรบกวน

นอกจากนี้ ความเร็วในการสลับของทรานซิสเตอร์มีความรวดเร็วมาก ตัวอย่างเช่น กระแสไฟฟ้า 2A ที่ 12V อาจถูกเปิด/ปิดที่ความถี่ประมาณ 300 กิโลเฮิรตซ์ ดังที่แสดงในแผนภาพด้านล่าง ในช่วงสถานะการเปลี่ยนผ่านขณะสลับ ค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส (di/dt) จะมีค่าสูงมาก เนื่องจากความเหนี่ยวนำไม่เพียงแต่มีอยู่ในขดลวดเหนี่ยวนำ แต่ยังมีอยู่ในรูปแบบของความเหนี่ยวนำแบบพาราซิติกบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าอย่างรวดเร็วนี้จึงสามารถสร้างสัญญาณแรงดันรบกวน ซึ่งจะรบกวนสภาพแวดล้อมรอบข้างหรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ สัญญาณรบกวนเหล่านี้ไม่ได้ถ่ายทอดผ่านเส้นทางบนแผงวงจรพิมพ์เท่านั้น แต่ยังแผ่ออกไปในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและสายไฟด้วย ความถี่ของ EMI นี้ไม่คงที่ มีหลายองค์ประกอบ di/dt ภายในหนึ่งรอบการสลับ ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแรงดันที่มีสเปกตรัมความถี่กว้าง

รูปที่ 3: แบบจำลองวงจรสมมูล

รูปที่ 4: แบบจำลองสัญญาณแรงดันรบกวน

รูปที่ 5: สัญญาณแรงดันรบกวน

รูปที่ 6: สัญญาณกระแสรบกวน

รูปที่ 7: แบบจำลองกระแสลัดวงจรขณะไดโอดปิดตัว

ไม่จำกัดเฉพาะแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเท่านั้น เราสามารถจัดจำแนกตำแหน่งที่เกิดการรบกวนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างกว้างขวางตามเส้นทางของแรงดัน/กระแส ดังแสดงในแผนภาพด้านล่าง การรบกวนที่เกิดในโหมดเชิงต่างและโหมดร่วมจะเรียกว่าการรบกวนโหมดเชิงต่างและการรบกวนโหมดร่วมตามลำดับ

รูปที่ 8: แผนภาพแบบจำลองสัญญาณรบกวน

สัญญาณรบกวนที่ปรากฏระหว่างสายของสายไฟกระแสสลับ หรือระหว่างขั้วบวกและขั้วลบของเอาต์พุตกระแสตรง เรียกว่า สัญญาณรบกวนแบบไดเฟอเรนเชียลโมด (differential mode interference) ในทางตรงกันข้าม สัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโมด (common mode interference) หมายถึงองค์ประกอบของสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นระหว่างสายใดๆ ในวงจรกับสายกราวด์ (กล่าวคือ เทียบกับพื้นดิน) สัญญาณรบกวนที่เกิดจากวงจรจ่ายไฟโดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณแบบไดเฟอเรนเชียลโมดในช่วงแรกเสมอ อย่างไรก็ตาม เมื่อสัญญาณไดเฟอเรนเชียลโมดนี้แพร่กระจายไปยังวงจรอื่น ๆ ความสมดุลของอิมพีแดนซ์เทียบกับกราวด์อาจถูกรบกวนจากอิทธิพลแม่เหล็กไฟฟ้าหรือไฟฟ้าสถิต ทำให้สัญญาณนี้เปลี่ยนสภาพกลายเป็นสัญญาณแบบคอมมอนโมด ในท้ายที่สุด ส่วนใหญ่ของสัญญาณรบกวนจะกลายเป็นสัญญาณแบบคอมมอนโมด

นอกจากนี้ สัญญาณรบกวนจากภายนอกที่เข้าสู่อุปกรณ์จากสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติ มักเป็นสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโมด (common mode) เนื่องจากการเกิดขึ้นของสัญญาณเหล่านี้เกี่ยวข้องกับโลก (พื้นดิน) เกือบทั้งหมด นอกจากนี้ เมื่อสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโมดเข้าสู่วงจร ก็อาจถูกเปลี่ยนให้กลายเป็นสัญญาณรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียล โมด (differential mode) ได้ภายใต้เงื่อนไขและอิทธิพลของอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งอาจส่งผลกระทบโดยตรงและในทางลบต่อการทำงานของวงจร

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรือวงจรไฟฟ้า จำเป็นต้องพิจารณาและดำเนินการป้องกันทั้งสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโมดและแบบดิฟเฟอเรนเชียล โมด ซึ่งมีลักษณะแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

2- มาตรการป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

จากมุมมองของการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวนสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ สัญญาณรบกวนแบบนำทาง (conducted interference) และสัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสี (radiated interference) จากมุมมองของประเภทสัญญาณรบกวน สามารถแบ่งออกเป็นสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโมด (common-mode interference) และสัญญาณรบกวนแบบดิฟเฟอเรนเชียลโมด (differential-mode interference) มีแนวทางหลักสองประการในการลดทอนสัญญาณรบกวน:

① ป้องกันไม่ให้เกิดสัญญาณรบกวนขึ้นมา

② ปิดกั้น ดูดซับ หรือกำจัดการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (switching power supply) และเทคโนโลยีดิจิทัล อุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีเหล่านี้ย่อมสร้างสัญญาณรบกวนขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งยากที่จะควบคุมเพียงแค่อัปเกรดเทคโนโลยีเท่านั้น ปัจจุบัน วิธีแก้ปัญหาส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การปิดกั้นหรือบรรเทาการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวน

2.1 การใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟเพื่อกั้น (ดูดซับหรือกำจัด) การนำสัญญาณรบกวน เช่น การรวมอินดักเตอร์โหมดร่วม อินดักเตอร์โหมดต่างกัน คาปาซิเตอร์แบบเอ็กซ์ และคาปาซิเตอร์แบบวาย เพื่อลดการรบกวนที่เกิดจากการนำไฟฟ้า

2.2 การใช้อินดักเตอร์กำลังร่วมกับลูกปัดเฟอร์ไรต์หรือโครงสร้างแม่เหล็กเพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสีแพร่ออกไปภายนอก

เพื่อจัดการกับ EMI ที่เกิดจากการนำไฟฟ้า Codaca นำเสนอชุดของอินดักเตอร์โหมดร่วมสำหรับสายสัญญาณ (ซีรีส์ SPRHS, ซีรีส์ CSTP, ซีรีส์ VSTCB เป็นต้น), อินดักเตอร์โหมดร่วมสำหรับสายไฟ (ซีรีส์ TCB, ซีรีส์ SQH, ซีรีส์ TCMB), และอินดักเตอร์โหมดต่างกัน (ซีรีส์ SPRH, ซีรีส์ PRD, และอินดักเตอร์กำลังอื่นๆ ที่สามารถใช้เป็นอินดักเตอร์โหมดต่างกันได้) อินดักเตอร์โหมดร่วมและโหมดต่างกันเหล่านี้ช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถต้านทานการรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอก และยังช่วยป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ปล่อย EMI ที่เกิดขึ้นภายในออกมา

ประสิทธิภาพในการลดการรบกวนมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับค่าอิมพีแดนซ์ของอินดักเตอร์ กรุณาดูตารางข้อมูลจำเพาะและกราฟลักษณะความถี่ต่อไปนี้สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม

ตารางที่ 1: ลักษณะของหม้อแปลงหุ้มศูนย์แบบโหมดร่วม Codaca ตาราง

หมายเหตุ: ตารางนี้แสดงเฉพาะรุ่นของอินดักเตอร์บางรุ่นเท่านั้น หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม กรุณาเยี่ยมชมเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ Codaca

รูปที่ 9: กราฟลักษณะอิมพีแดนซ์-ความถี่สำหรับหม้อแปลงหุ้มศูนย์แบบโหมดร่วมในเส้นสัญญาณ

รูปที่ 10: กราฟลักษณะอิมพีแดนซ์-ความถี่สำหรับหม้อแปลงหุ้มศูนย์แบบโหมดร่วมในเส้นสายไฟฟ้า

สำหรับวิธีแก้ปัญหา EMI แบบแผ่รังสี สามารถใช้เฟอร์ไรท์บีดได้ ในบางวงจรความถี่สูง เช่น วงจรวิทยุความถี่ (RF) และวงจรออสซิลเลเตอร์ จะต้องเพิ่มเฟอร์ไรท์บีดที่ส่วนขาเข้าของแหล่งจ่ายไฟ Codaca มีชุดผลิตภัณฑ์เฟอร์ไรท์บีดหลายรุ่น เช่น ซีรีส์ RHD, RHV, SMB และ UUN

ตารางที่ 2: ตารางลักษณะของเฟอร์ไรท์บีด

หมายเหตุ: ตารางนี้แสดงเฉพาะรุ่นของผลิตภัณฑ์บางรุ่นเท่านั้น หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม กรุณาเยี่ยมชมเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ Codaca

ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ตัวเหนี่ยวนำสำหรับจ่ายไฟที่มีการป้องกันแม่เหล็กสามารถป้องกันการแพร่กระจายของสัญญาณรบกวนแบบแผ่รังสีได้เช่นกัน สำหรับปัญหา EMI แบบแผ่รังสี Codaca มีชุดผลิตภัณฑ์ของชิ้นส่วนที่มีการป้องกันแม่เหล็กรวมถึงตัวเหนี่ยวนำแบบโมลด์ ตัวเหนี่ยวนำสำหรับกระแสสูง ตัวเหนี่ยวนำสำหรับแอมป์ดิจิทัล และตัวเหนี่ยวนำชนิดชิป ตัวเหนี่ยวนำสำหรับจ่ายไฟเหล่านี้สามารถใช้งานในเส้นทางจ่ายไฟของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ชิ่งได้ โครงสร้างการป้องกันแม่เหล็กจะช่วยป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนที่เกิดจากตัวเหนี่ยวนำแผ่ออกไปยังภายนอกอย่างมีประสิทธิภาพ และยังช่วยป้องกันตัวเหนี่ยวนำจากการถูกรบกวนจากภายนอกอีกด้วย ตัวเหนี่ยวนำที่มีการป้องกันเช่นนี้ยังถูกใช้ในโซลูชันสำหรับปัญหาสัญญาณรบกวนโหมดเชิงอนุกรม (differential mode interference) บนเส้นทางสัญญาณและเส้นทางจ่ายไฟ

ตารางที่ 3: ตารางคุณลักษณะของตัวเหนี่ยวนำที่มีการป้องกันแม่เหล็ก

หมายเหตุ: ตารางนี้แสดงเฉพาะรุ่นของผลิตภัณฑ์บางรุ่นเท่านั้น หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม กรุณาเยี่ยมชมเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ Codaca

รูปที่ 11: เส้นโค้งการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและกระแสเซ็ตเตอร์เรชัน, ลักษณะความเหนี่ยวนำตามความถี่และความต้านทานตามความถี่ สำหรับ VSHB0421-4R7MC

3 - สรุป

ด้วยการผสานรวมและซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ สภาพแวดล้อม EMI/EMC ที่ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ทำงานอยู่จึงต้องเผชิญกับความท้าทายอย่างมาก เพื่อช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แก้ไขปัญหา EMI/EMC ได้ Codaca ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์มาตรฐานหลายซีรีส์ ช็อกโหมดรวมสำหรับสายสัญญาณ , power Line Common Mode Choke s , คอยล์โหมดต่างศักย์, เฟอร์ไรต์บีด และหลากหลาย อินดักเตอร์พลังงานแบบมีแม่เหล็กป้องกัน วิศวกรสามารถเลือกใช้คอยล์โหมดร่วม คอยล์โหมดต่างศักย์ หรืออินดักเตอร์พลังงานมาตรฐานที่เหมาะสมจาก Codaca ได้ตามข้อกำหนดเฉพาะของการออกแบบวงจรไฟฟ้า